Supraleiter als Zwitter

Supraleiter sind Materialien, die bei tiefen Temperaturen verlustfrei Strom leiten. Ein hohes Magnetfeld zerstört normalerweise die Supraleitung und verwandelt das Material in einen normalen Leiter. Erstmals haben Forscher nun einen bereits im Jahr 1964 vorhergesagten Zwitter-Zustand zwischen normaler Leitung und Supraleitung an organischen Supraleitern nachgewiesen.

Die Wissenschaftler vom Forschungszentrum Dresden-Rossendorf und der Universitäten Genf, Braunschweig, Dresden und Osaka/Japan stellen ihre bahnbrechenden Experimente, die am Hochfeldlabor Grenoble stattfanden, im Fachjournal „Physical Review Letters“ vor.

Supraleiter verlieren bei tiefen Temperaturen ihren elektrischen Widerstand. Sie werden heute beispielsweise für Magnetspulen in Kernspintomographen oder Teilchenbeschleunigern eingesetzt. Jedes supraleitende Material wird jenseits eines kritischen Magnetfeldes zu einem normalen Leiter.

Bei bestimmten Substanzen jedoch tritt im Magnetfeld zwischen die beiden Zustände Supraleitung und Normalleitung eine neue Zwitterphase, in der sich lokal Teile des Materials supraleitend verhalten, während andere Teile des Materials normalleitend sind. Damit wird es möglich, die Supraleitung in weitaus höheren Magnetfeldern als bisher aufrecht zu erhalten. Dieser Zustand kann bevorzugt in Supraleitern auftreten, die auf der Nanometerskala aus leitfähigen und isolierenden Schichten aufgebaut sind.

Professor Peter Fulde vom Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden veröffentlichte im Jahr 1964 zusammen mit Professor Richard Ferrell eine Arbeit über diesen besonderen Zustand von supraleitenden Materialien. Schon dort wurde er als räumlich periodische Modulation der Supraleitung charakterisiert. Etwa zeitgleich sagten auch zwei weitere Forscher diesen Zustand vorher, weshalb man heute von der Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov-Phase der Supraleitung spricht.

Zwitterphase nachgewiesen

Die ersten erfolgreichen Experimente an einem organischen Supraleiter wurden bereits 2007 am Hochfeldlabor in Grenoble in statischen Magnetfeldern durchgeführt. Dieses Material müsste eigentlich schon bei circa 22 Tesla – Tesla ist die Einheit für die magnetische Flussdichte und ist damit auch ein Maß für die Stärke des Magnetfeldes – seine supraleitende Eigenschaft verlieren. Legt man jedoch ein Magnetfeld parallel zu den Schichten aus leitenden organischen Molekülen an, kann die Supraleitung wegen der Zwitterphase noch bis zu weitaus größeren Feldern bestehen.

Eine zweite Experimentreihe wurde vor kurzem beendet. Auch hieran waren Forscher des Hochfeld-Magnetlabors Dresden am Forschungszentrum Dresden-Rossendorf beteiligt. Die Zwitterphase wurde jetzt mit einer weiteren Methode nachgewiesen und bei tiefen Temperaturen genauer untersucht. Damit ist es gelungen, Supraleitung an diesem Material in hohen Magnetfeldern bis zu 32 Tesla zu beobachten.

(idw – Forschungszentrum Dresden – Rossendorf, 31.03.2008 – DLO)